Jak wcisnąć piezoelektryczne przetworniki akustyczne w urządzenia do obkurczania?

Czego się dowiesz:

• Szerokie zastosowanie technologii piezoelektrycznej.
• Dlaczego trendy w miniaturyzacji urządzeń przy zachowaniu precyzji stanowią wyzwanie dla inżynierów projektantów.
• W jaki sposób wielofizyczne narzędzia programowe mogą sprostać nieodłącznym wyzwaniom multifizycznym przy projektowaniu piezoelektrycznych przetworników akustycznych.

Rosnąca miniaturyzacja i wyrafinowanie produktów elektronicznych, począwszy od konsumenckich urządzeń multimedialnych, medycznych narzędzi diagnostycznych, a skończywszy na zastosowaniach sonarów związanych z obronnością, stanowi bogactwo użyteczności i łatwości dla konsumentów – oraz ciągłe wyzwanie dla inżynierów projektantów.Te pozornie odmienne produkty (głośniki urządzeń audio/mobilnych, niektóre nieinwazyjne urządzenia medyczne i tablice sonarów) łączy wspólna zależność od przetworników piezoelektrycznych do generowania i odbierania sygnałów akustycznych.

Materiały piezoelektryczne były cenione od pierwszej połowy XX wieku ze względu na ich zdolność do przekształcania energii mechanicznej w energię elektryczną i odwrotnie.Jednak technologia XXI wieku wymaga, aby te same materiały wytwarzały więcej dźwięku lub bardziej precyzyjne częstotliwości w coraz mniejszych opakowaniach, a wszystko to przy jak najmniejszym zużyciu energii.

Wyzwanie związane z projektowaniem urządzeń zawierających piezoelektryki jest z natury wielofizyczne ze względu na zbieg elektryczności, wibracji i akustyki.Dlatego projektanci muszą dysponować narzędziami, które potrafią obliczyć wielorakie właściwości fizyczne w swoich produktach.

Przegląd materiałów piezoelektrycznych

Materiały piezoelektryczne to materiały, które mogą wytwarzać energię elektryczną w wyniku naprężeń mechanicznych, takich jak ściskanie.Materiały te mogą się również odkształcać pod wpływem napięcia (elektryczności).Typowe materiały piezoceramiczne, czy to nieprzewodząca ceramika, czy kryształ, są umieszczane pomiędzy dwiema metalowymi płytami.

Aby wytworzyć piezoelektryczność, materiał musi być ściśnięty lub ściśnięty.Naprężenia mechaniczne przyłożone do piezoelektrycznego materiału ceramicznego wytwarzają energię elektryczną.Efekt piezoelektryczny można odwrócić, co określa się mianem odwrotnego efektu piezoelektrycznego.Jest to tworzone przez przyłożenie napięcia elektrycznego, które powoduje kurczenie się lub rozszerzanie kryształu piezoelektrycznego.Odwrotny efekt piezoelektryczny przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną.

Materiały piezoelektryczne znajdują się w zaskakującej gamie produktów codziennego użytku.Płomień, który ożywa po naciśnięciu przycisku zapalniczki typu „kliknij i zapal” został wspomagany przez ściskanie materiału piezoelektrycznego, który wytwarza iskrę.

Przyjrzyjmy się teraz kilku innym produktom, które stanowią większe wyzwanie dla inżynierów projektantów ze względu na potrzebę zwiększenia wydajności w mniejszych urządzeniach.

Mikrofony i głośniki

Materiały piezoelektryczne są szeroko stosowane w akustyce.Mikrofony zawierają kryształy piezoelektryczne, które przekształcają przychodzące fale dźwiękowe na sygnały, które są następnie przetwarzane w celu wytworzenia wychodzącego wzmocnionego dźwięku.Małe głośniki, takie jak te w telefonach komórkowych i innych urządzeniach mobilnych, również są napędzane kryształami piezoelektrycznymi.Bateria urządzenia wibruje kryształ z częstotliwością, która generuje dźwięk.

Wyzwaniem jest tutaj zaprojektowanie przetworników piezoelektrycznych, które mogą wytwarzać dźwięk o bardzo wysokiej jakości w niewielkiej obudowie i bez nadmiernego rozładowywania baterii urządzenia.

Urządzenia medyczne

Nieinwazyjne urządzenia medyczne, takie jak aparaty słuchowe, również polegają na piezoelektrykach w części swojego działania.Podobnie jak technologia ultradźwiękowa, która jest głównym zastosowaniem materiału piezoelektrycznego.

W ultradźwiękach materiały piezoelektryczne są naelektryzowane, aby wytworzyć fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości (od 1,5 do 8 MHz), które są w stanie penetrować tkanki ciała.Gdy fale się odbijają, kryształy piezoelektryczne przekształcają otrzymaną energię mechaniczną w energię elektryczną, wysyłając ją z powrotem do maszyny ultradźwiękowej w celu przekształcenia w obraz.

Inne urządzenia medyczne, takie jak skalpele harmoniczne, wykorzystują właściwości wibracyjne materiałów piezoelektrycznych do cięcia i kauteryzacji tkanki podczas operacji.Kryształy piezoelektryczne w urządzeniu generują zarówno energię kinetyczną, jak i energię cieplną potrzebne do jednoczesnego cięcia i kauteryzacji.

Wyzwania związane z projektowaniem ultradźwięków koncentrują się na potrzebie określenia prawidłowego kształtu i składu materiałowego elementów piezoelektrycznych w celu uzyskania bardzo precyzyjnych częstotliwości używanych w ultradźwiękach.A na przykładzie skalpeli harmonicznych projekt musi uwzględniać wpływ ogrzewania na reakcję wibracyjną urządzenia.

Sonar

Być może najszersze i najdłużej stosowane zastosowanie technologii piezoelektrycznej można znaleźć w zastosowaniach sonarowych.Podczas I wojny światowej sonar był pierwszym komercyjnym zastosowaniem piezoelektryczności, a jego wykorzystanie gwałtownie wzrosło w okresie międzywojennym.

Obecnie wszystkie systemy oparte na sonarze, w tym używane przez wojsko, rybaków komercyjnych oraz w wielu innych zastosowaniach morskich, wykorzystują przetwornik piezoelektryczny zarówno do generowania, jak i odbierania fal dźwiękowych.

Wydaje się to proste, ale projektowanie przetworników do rozchodzenia się dźwięku w wodzie, a nie w powietrzu, może stanowić własny zestaw złożonych wyzwań inżynieryjnych.Zastosowania te często wymagają, aby urządzenie piezoelektryczne generowało sygnały o dużej mocy w celu rozprzestrzeniania się na duże odległości bez tłumienia poniżej wykrywalnych poziomów.

Nowe zastosowania

Nowe zastosowanie materiałów piezoelektrycznych znajduje się w technologii pozyskiwania energii.Ze względu na wyjątkowe właściwości materiałów piezo, mogą być z powodzeniem stosowane we wszystkich aplikacjach wymagających lub wytwarzających wibracje.

W zbieraniu energii, egzogenne wibracje powodują mechaniczne naprężenie materiału piezoelektrycznego, które jest przekształcane w energię elektryczną.Ta wytworzona piezoelektryczna energia może być następnie wykorzystana do zasilania innych elementów urządzenia lub systemu.

Jednym z przykładów są niezależne od akumulatora systemy monitorowania ciśnienia w oponach (TPMS).Gdy opony pojazdu się obracają, wytwarzana jest energia mechaniczna.Czujnik piezoelektryczny zbiera tę energię, przechowuje ją i wysyła sygnał do panelu wyświetlacza kierowcy.W przeszłości systemy TPMS były zasilane bateryjnie, ale rosnące zainteresowanie przyjaznymi dla środowiska alternatywnymi akumulatorami doprowadziło do skupienia się na potencjale materiałów piezoelektrycznych w zakresie pozyskiwania energii.

Stare odkrycie, współczesne wyzwania

Chociaż materiały piezoelektryczne są wykorzystywane od ponad wieku, obecne zapotrzebowanie na ich zastosowanie w mniejszych i bardziej złożonych produktach stanowi wyzwanie dla inżynierów projektantów.Wybór odpowiednich materiałów i zaprojektowanie odpowiedniego kształtu kryształu ma kluczowe znaczenie dla funkcjonalności prototypu.

Piezos mają bardzo złożone właściwości materiałowe, które są ze sobą ściśle powiązane, a skład materiału ma znaczenie.Podobnie, jeśli kształt kryształu piezoelektrycznego nie zapewnia prawidłowej częstotliwości rezonansowej, urządzenie nie będzie działać.I, w eleganckim kroku z „efektem obserwatora”, samo elektryzowanie się kryształu piezoelektrycznego deformuje jego kształt, jednocześnie wytwarzając więcej energii elektrycznej.

To niezwykle skomplikowana pętla sprzężenia zwrotnego, która woła o rozwiązanie projektowe, które eliminuje zgadywanie związane z długotrwałymi procesami budowy i testowania prototypu.

Dlaczego symulacja ma znaczenie

Symulacja jest zawsze pomocna w przypadku nieliniowości.Uniemożliwia projektantom niewdzięczne (i często nieopłacalne) zadanie budowania i testowania wśród zbyt wielu niewiadomych.Rozważając przetworniki elektroakustyczne, unikalna kombinacja energii elektrycznej, energii mechanicznej i akustyki jest zdecydowanie nieliniowa i z natury wielofizyczna.

Symulacja multifizyczna może zapewnić inżynierom projektantów narzędzia do bardziej efektywnego opracowywania produktów, umożliwiając im symulowanie projektów urządzeń w warunkach pracy.Ponadto symulacje te mogą obejmować cały ekosystem, od obwodu sterującego, przez przetwornik piezoelektryczny, po otaczające środowisko akustyczne.Symulacje multifizyczne uwzględnią takie czynniki jak:

• Równania konstytutywne odpowiedzi mechanicznej i elektrycznej
• Kierunek polaryzacji właściwości materiału piezoelektrycznego
• Warunki brzegowe
• Mechanika konstrukcji/ogrzewanie wibracyjne

Ponieważ urządzenia zależne od piezoelektryków stają się mniejsze i bardziej złożone, aby sprostać wymaganiom wyrafinowanych konsumentów (takich jak osoby fizyczne lub branże), inżynierowie projektanci muszą dysponować narzędziami, które obliczają wielorakie właściwości fizyczne w swoich produktach.Narzędzia do symulacji multifizyki mogą zapewnić przejrzystość i kierunek skomplikowanych wyzwań projektowych.

Możesz dowiedzieć się więcej o technologii piezoelektrycznej, oglądającProjektowanie piezoelektrycznych przetworników akustycznych z symulacjamiseminarium internetowe.